Membrane plasmatiche

La membrana plasmatica è una struttura della cellula vegetale che forma una barriera semipermeabile, o selettiva, tra l’interno della cellula e l’ambiente esterno; funziona anche nel trasporto di molecole dentro e fuori la cellula.
Oltre a formare la barriera strutturale tra il contenuto interno di una cellula e l’ambiente esterno, le membrane plasmatiche contengono proteine coinvolte nel trasporto di molecole e altre sostanze dentro e fuori la cellula, e contengono proteine e altre molecole che sono essenziali per ricevere segnali dall’ambiente e dagli ormoni vegetali che dirigono la crescita e la divisione.
I carboidrati associati alla membrana plasmatica sono marcatori del tipo di cellula. Nelle piante, la membrana plasmatica è il sito di sintesi della cellulosa.

Le molecole di lipidi forniscono la struttura della membrana plasmatica, che è descritta dal modello del mosaico fluido come un oceano dinamico di lipidi in cui galleggiano altre molecole.
I fosfolipidi sono i lipidi più abbondanti delle membrane plasmatiche, e sono organizzati in un bilayer fosfolipidico fluido in cui sono intercalati steroli, proteine e altre molecole. I fosfolipidi sono molecole anfipatiche, contenenti regioni che amano l’acqua (idrofile) e regioni che la temono (idrofobiche).
Ogni fosfolipide consiste in una spina dorsale di glicerolo a tre carboni; due dei carboni sono attaccati a molecole di acidi grassi a catena lunga, e il terzo carbonio è attaccato a un gruppo contenente fosfato. Poiché gli acidi grassi sono non polari e idrofobici, tendono ad aggregarsi e ad escludere l’acqua.
Questa aggregazione permette ai fosfolipidi di formare una struttura bilaterale che ha gli acidi grassi di entrambi gli strati al centro e i gruppi carichi e contenenti fosfato verso l’esterno.
Questa struttura bilayer permette ad una superficie del bilayer della membrana plasmatica di interagire con l’ambiente esterno acquoso, mentre l’altra interagisce con l’ambiente cellulare interno acquoso.
Gli steroli si trovano anche nelle membrane plasmatiche delle cellule vegetali. Il principale sterolo che si trova nelle membrane plasmatiche delle cellule vegetali è lo stigmasterolo (al contrario del colesterolo, che si trova nelle membrane plasmatiche delle cellule animali). Gli steroli trovati nelle cellule vegetali sono importanti economicamente come materiale di partenza per i farmaci a base di steroidi come la pillola anticoncezionale.
Proteine di membrana e carboidrati
Alcune proteine di membrana coprono l’intera lunghezza del bilayer fosfolipidico e sono chiamate proteine di trans membrana. Le proteine di trans membrana sono a volte chiamate proteine di membrana integrali e hanno strutture e funzioni diverse.

Possono passare attraverso il bilayer lipidico solo una volta, o possono essere proteine di membrana trans “a passaggio multiplo”, che entrano ed escono dalla membrana molte volte.
La porzione di una proteina di membrana trans che passa attraverso l’interno della membrana spesso consiste di aminoacidi che hanno catene laterali non polari (gruppi R) ed è conosciuta come il dominio di membrana trans.
La porzione della proteina di membrana trans che si trova sulla superficie esterna della membrana e interagisce con l’ambiente acquoso spesso contiene aminoacidi carichi, o polari, nella sua sequenza.
Le proteine di membrana sono spesso importanti per ricevere segnali dall’ambiente esterno come recettori di membrana. Per esempio, gli ormoni proteici o peptidici interagiscono con recettori proteici di trans membrana sulla membrana plasmatica. Le proteine di membrana sono anche coinvolte nella ricezione di segnali come i fotoni della luce.
Le proteine di membrana formano pori che permettono agli ioni (particelle cariche) di passare attraverso l’interno della membrana. Le proteine di membrana chiamate carrier sono essenziali per portare molecole nutritive come gli zuccheri semplici nella cellula.
Non tutte le proteine all’interno della membrana sono proteine di trans membrana. Alcune sono solo vagamente associate alla membrana, attaccate ad altre proteine, o ancorate alla membrana da una coda lipidica. Queste proteine, che non attraversano entrambi i lati della membrana, sono spesso chiamate proteine di membrana periferiche.
Oltre alle proteine, la membrana plasmatica contiene molecole di carboidrati. Le molecole di carboidrati sono solitamente attaccate alle proteine di membrana o alle molecole lipidiche all’interno del bilayer. I carboidrati forniscono importanti informazioni sul tipo di cellula e sulla sua identità.
Trasporto attraverso le membrane
Il trasporto di molecole dentro e fuori le cellule è una funzione importante della membrana plasmatica. Le molecole idrofobe, come l’ossigeno, e le piccole molecole senza carica, come l’anidride carbonica, attraversano la membrana per semplice diffusione.
Queste molecole usano l’energia potenziale di un gradiente chimico per guidare il loro movimento da un’area di maggiore concentrazione su un lato della membrana a un’area di minore concentrazione sull’altro lato.
La diffusione funziona meglio quando questo gradiente di concentrazione è ripido. Per esempio, nelle cellule che non hanno la capacità di effettuare la fotosintesi, l’ossigeno viene utilizzato quasi rapidamente come entra nella cellula.

Questo mantiene un forte gradiente di molecole di ossigeno attraverso la membrana, in modo che le molecole fluiscano continuamente dalla zona di maggiore concentrazione di ossigeno all’esterno della cellula alla zona di minore concentrazione all’interno della cellula.
Le molecole che sono polari sono escluse dalla zona idrofoba del bilayer. Due fattori influenzano il trasporto di questi tipi di molecole: il gradiente di concentrazione e il gradiente elettrico. I bilayer lipidici separano le differenze di carica elettrica da un lato all’altro della membrana, agendo come una sorta di condensatore biologico.
Se l’interno della cellula è più negativo dell’esterno della cellula, gli ioni caricati negativamente dovrebbero spostarsi dall’interno all’esterno della cellula per viaggiare con il gradiente elettrico. La combinazione dei gradienti di concentrazione ed elettrici è chiamata gradiente elettrochimico.
Il trasporto di molecole cariche o polari richiede l’assistenza di proteine all’interno della membrana, note come trasportatori. Le proteine del canale formano dei pori all’interno della membrana e permettono alle piccole molecole cariche, di solito ioni inorganici, di fluire attraverso la membrana da un lato all’altro.
Se la direzione del viaggio dello ione è lungo il suo gradiente elettrochimico, il processo non richiede energia supplementare ed è chiamato trasporto passivo.
Le proteine trasportatrici cambiano forma per depositare una piccola molecola, come uno zucchero, da un lato della membrana all’altro. Le pompe sono proteine all’interno della membrana che usano energia dall’adenosina trifosfato (ATP) o dalla luce per trasportare molecole attraverso la membrana. Quando l’energia è usata nel trasporto, il processo è chiamato trasporto attivo.
Biosintesi della cellulosa
Nelle piante, la membrana plasmatica è il sito per la sintesi della cellulosa, il biopolimero più abbondante sulla terra. Studi al microscopio elettronico suggeriscono che la membrana cellulare delle piante contiene strutture a rosetta che sono complessi di molte proteine e sono i siti di sintesi della cellulosa.
Gli studi nei batteri, nelle piante di cotone e nella pianta infestante Arabidoposis thaliana hanno permesso agli scienziati di isolare il gene che effettivamente esegue le reazioni chimiche che collegano le molecole di glucosio insieme nella lunga struttura delle microfibrille di cellulosa.
Questo gene codifica una proteina chiamata glicosil transferasi. Gli anticorpi contro la subunità catalitica, o attiva, della glicosil transferasi marcano specificamente queste strutture a rosetta.
Due di queste molecole di transferasi agiscono simultaneamente da lati opposti per aggiungere due glucosio alla volta alla microfibrilla in crescita, rendendo conto della rotazione dei glucosio alternati nelle molecole di cellulosa.